Група фізиків створила одновимірний газ зі світла, досліджуючи дивовижні властивості цього незвичного стану матерії.
Коли деякі частинки охолоджуються до температур, близьких до абсолютного нуля, починають відбуватися цікаві явища. Зокрема, може утворитися “конденсат Бозе-Ейнштейна” (КБЕ) – стан матерії, який вперше був передбачений Альбертом Ейнштейном на основі робіт теоретичного фізика Сатьєндри Ната Бозе. Коли газ бозонів – субатомних частинок, що мають ціле значення спіну – охолоджується до температур, близьких до абсолютного нуля, вони утворюють єдиний квантовий об’єкт, часто порівнюваний із дією одного атома.
«Хвильова функція КБЕ відповідає основному стану макроскопічного квантового об’єкта», пояснюється в одному з досліджень. «Іншими словами, група атомів у КБЕ поводиться як єдина квантова сутність».
У цьому новому дивовижному стані матерії, який вперше був створений у реальному світі в 1995 році, можна спостерігати макроскопічні прояви квантової поведінки.
Цей стан має ряд незвичних властивостей, включаючи нульову в’язкість. Якщо ви наллєте трохи цієї речовини в склянку, вона повільно підніметься по її стінках. Такі конденсати можуть підтримувати вихори, які можна використовувати для створення аналогів чорних дір, а також вибухати, подібно до наднової, в явищі, названому “бозенова”. Тому не дивно, що ці речовини є предметом наукових досліджень.
КБЕ можна створити з будь-якої речовини, що підпорядковується статистиці Бозе-Ейнштейна. Це легше зробити з бозонами, однак КБЕ можна отримати і з парами ферміонів, де спіни півчастинок утворюють ціле значення, що дозволяє ферміонам займати той самий квантовий стан.
Фотони, які підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна, також можуть перетворюватися в КБЕ без складного утворення пар. У новому дослідженні команда з Університету Бонна та Університету Кайзерслаутерна-Ландау в Німеччині здійснила саме це, з тією різницею, що конденсат було створено в одному й двох вимірах.
«Щоб створити ці типи газів, ми повинні сконцентрувати велику кількість фотонів у замкненому просторі та одночасно їх охолоджувати», – пояснив доктор Франк Февінгер з Інституту прикладної фізики.
Для цього команда заповнила крихітний відбивний контейнер розчином барвника і збудила цей розчин за допомогою лазера. Фотони світла відбивалися від стінок контейнера, поки не зіткнулися з молекулами барвника, і саме ці зіткнення охолодили фотони, доки газ фотонів не конденсувався.
За допомогою зміни поверхні контейнера команда змогла захопити охолоджені фотони в одному чи двох вимірах.
«Ми змогли нанести прозорий полімер на відбивні поверхні, створивши мікроскопічно малі виступи», – пояснив Юліан Шульц з Університету Кайзерслаутерна-Ландау. «Ці виступи дозволили нам захопити фотони в одному або двох вимірах і конденсувати їх».
«Ці полімери діють як своєрідний жолоб, але в цьому випадку для світла», – додав провідний автор дослідження Кіранкумар Каркігаллі Умеш. «Чим вужчий цей жолоб, тим одновимірніше поводиться газ».
Хоча двовимірні КБЕ самі по собі є цікавим явищем, команда змогла дослідити газ в одному вимірі (по суті, стиснутий у крихітну точку) і в двох вимірах, а також перехід між цими двома станами.
«Коли ми створюємо одновимірний газ замість двовимірного, дещо змінюється», – пояснив Февінгер. «Так звані теплові флуктуації відбуваються у фотонних газах, але вони настільки малі в двох вимірах, що не мають істотного впливу. Однак в одному вимірі ці флуктуації можуть, образно кажучи, спричиняти великі хвилі».
Ці температурні флуктуації в одному вимірі призводять до того, що КБЕ поводиться по-різному в різних регіонах, подібно до виродженого квантового газу.
«Ми вперше змогли дослідити цю поведінку при переході від двовимірного до одновимірного фотонного газу», – додав Февінгер.
Команда виявила, що, хоча двовимірні КБЕ утворюються за певних температур, близьких до абсолютного нуля, для одновимірного фотонного газу не існує точної точки конденсації.
Хоча це дослідження цікаве та може мати застосування в галузі квантової оптики, вивчення одновимірного конденсату все ще перебуває на початковій стадії, і команда планує продовжити дослідження в майбутньому.
Дослідження опубліковане в журналі Nature Physics.